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TEMA 1. INTRODUCCIÓN A LAS TÉCNICAS
INSTRUMENTALES EN EL ANÁLISIS INDUSTRIAL
1.1. TÉRMINOS ASOCIADOS AL ANÁLISIS QUÍMICO
1.2. CLASIFICACIÓN DE LAS TÉCNICAS INSTRUMENTALES
1.3. CONSIDERACIONES IMPORTANTES EN LOS METODOS
ANALÍTICOS
1.4. FUNCIONES BÁSICAS DE LA INSTRUMENTACIÓN
1.5. CONSIDERACIONES IMPORTANTES PARA EVALUAR UN
MÉTODO INSTRUMENTAL

1. Introducción a las técnicas instrumentales en el análisis industrial
1.1
El uso de la instrumentación es una parte atractiva y fascinante del análisis
químico que interacciona con todas las áreas de la química y con muchos otros campos
de la ciencia pura y aplicada. Los análisis de suelos marcianos, de los líquidos
biológicos de caballos de carreras y de atletas olímpicos, del aceite para los motores de
aeronaves comerciales y militares, y aún del Sudario de Turín, son ejemplos de
problemas que requieren técnicas instrumentales. A menudo es necesario usar varias
técnicas de esa clase a fin de obtener la información requerida para resolver un
problema de análisis.
La instrumentación analítica juega un papel importante en la producción y en la
evaluación de nuevos productos y en la protección de los consumidores y del medio
ambiente. Esta instrumentación proporciona los límites de detección más bajos
requeridos para asegurar que se disponga de alimentos, medicinas, agua y aire no
contaminados. La fabricación de materiales cuya composición debe conocerse con
precisión, como las sustancias empleadas en los chips o pastillas de los circuitos
integrados, se controla con instrumentos analíticos. La amplia inspección de cantidades
de muestra que se ha hecho posible por la instrumentación automatizada,
frecuentemente libera al analista de las tediosas tareas relacionadas - en un principio -
con el análisis químico. Entonces el analista puede estar libre para examinar los
componentes del sistema analítico, como los métodos de muestreo, el procesamiento de
datos y la evaluación de los resultados.
1.1. TÉRMINOS ASOCIADOS AL ANÁLISIS QUÍMICO
Es necesario distinguir entre las expresiones técnica analítica y método
analítico. Una técnica es un proceso científico fundamental que ha demostrado ser útil
para proporcionar información acerca de la composición de las sustancias; la
espectrometría de infrarrojo es un ejemplo de una técnica analítica. Un método es una
aplicación específica de una técnica para resolver un problema analítico; el análisis por
infrarrojo de los copolímeros estireno y acrilonitrilo es un ejemplo de método
instrumental.
Otros dos términos relacionados con el análisis químico son el de procedimiento
y el de protocolo. Las instrucciones escritas para aplicar un método son un
procedimiento; los métodos estándares - desarrollados por la ASTM (American Society
for Testing and Materials) y por la ADAC (Association of Official Analytical Chemists)
son, en realidad, procedimientos normalizados o estandarizados. Un procedimiento
supone que el usuario tiene algún conocimiento previo de la metodología analítica, y
por tanto no proporciona gran detalle sino sólo un esbozo general de los pasos que
deben seguirse; el procedimiento para el análisis de infrarrojo de los copolímeros

1.2
estireno y acrilonitrilo involucra la extracción de los residuos monoméricos de estireno
y acrilonitrilo -que se encuentran en el polímero - con disulfuro de carbono. Los
residuos poliméricos se disuelven y vacían luego como película, directamente en una
placa de cloruro de sodio. Tanto el extracto de disulfuro de carbono como la película
son explorados para obtener medidas de absorbancia a las longitudes de onda
características del estireno y del acrilonitrilo. Las absorbancias de la muestra se
comparan con las de estándares de concentración conocida. Por otra parte, la
descripción más específica de un método se conoce como protocolo. Deben seguirse –
sin excepción - las directrices detalladas, si es que los resultados analíticos deben ser
aceptados para un propósito particular, tal como un análisis ambiental para satisfacer los
requisitos de la Environmental Protection Agency (EPA), o las determinaciones de
alcohol en la sangre en el caso de dictámenes legales.
1.2. CLASIFICACIÓN DE LAS TÉCNICAS INSTRUMENTALES
La mayoría de las técnicas instrumentales quedan en una de las tres áreas
principales: espectroscopía, electroquímica y cromatografía (Tabla 1.l). Aunque varias
técnicas importantes (incluyendo la espectrometría de masas y el análisis térmico) no se
ajustan convenientemente a estas clasificaciones, las tres áreas proporcionan la base de
un estudio sistemático de la instrumentación química.
Los avances en la química y en la tecnología están haciendo posibles nuevas
técnicas y extendiendo el uso de las ya existentes. La espectroscopía fotoacústica es un
ejemplo de técnica analítica en ciernes. Algunas de las técnicas existentes se han
combinado para extender la utilidad de los métodos componentes. Ejemplos de métodos
acoplados o conjuntados exitosamente (que se indican con siglas unidas con guión) son
los de cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS) y el de plasma con
acoplamiento inductivo espectrometría de masas (ICP-MS) (Tabla 1.2). La aplicación
de la capacidad de las computadoras a los instrumentos analíticos ha llevado al uso
extenso de métodos como la transformada de Fourier para producir las nuevas técnicas:
espectroscopías de infrarrojo según la transformada de Fourier (FTIR), y de resonancia
magnética nuclear de pulsos (de carbono 13).
El analista debe estar al tanto de las funciones que realiza(n) la(s)
computadora(s). En un método analítico dado. Estas funciones pueden ir desde la
captura de los datos hasta el control para el manejo de los sistemas de datos de
laboratorio. Aunque actualmente pocos químicos analíticos desarrollan programas y
diseñan equipo de computación, deben comprender los conceptos fundamentales tanto
del equipo (hardware) como de los programas computacionales (software).

1.3
Tabla 1.1. Principales tipos de instrumentación química
Técnicas espectroscópicas
Espectrofotometría de visible y ultravioleta
Espectrofotometría de fluorescencia y fosforescencia
Espectrometría atómica (emisión y absorción)
Espectrofotometría de infrarrojo
Espectroscopía raman
Espectroscopía de rayos X
Técnicas radioquímicas, incluyendo el análisis por activación
Espectroscopía de resonancia magnética nuclear
Espectroscopía de resonancia de espin electrónico (o de resonancia paramagnética
electrónica)
Técnicas electroquímicas
Potenciometría (electrodos de pH y selectivos de iones)
Voltamperometría
Técnicas voltamperométricas
Técnicas de redisolución
Técnicas amperométricas
Coulombimetría
Electrogravimetría
Técnicas de conductancia
Técnicas cromatográficas
Cromatografía de gases
Técnicas de cromatografía líquida de alta resolución
Técnicas diversas
Análisis térmico
Espectrometría de masas
Técnicas cinéticas
Técnicas conjuntadas o acopladas
(GC-MS) (cromatografía de gases -espectrometría de masas)
(ICP-NIS) (plasma con acomplamiento inductivo-espectrometría de masas)
(GC-IR) (cromatografía de gases -espectrometría de infrarrojo)
(MS-MS) (espectrometría de masas-espectrometría de masas)
1.3. CONSIDERACIONES IMPORTANTES EN LOS METODOS ANALÍTICOS
Aunque muchas veces es el instrumento el elemento más visible e impresionante
del método analítico, sólo es uno de los componentes del análisis total. Antes de enfocar
el papel de la instrumentación en un método analítico, el analista debe considerar otras
etapas importantes para la determinación. La siguiente descripción señala los pasos
comunes a los métodos analíticos y ayuda así a poner en la perspectiva adecuada el
papel de la instrumentación. No se pretende hacer una discusión detallada de estos
tópicos, que son cubiertos con gran profundidad en las bibliografías y en las referencias.
Los temas que se relacionan más con la instrumentación se discuten en capítulos
posteriores.
La primera tarea es definir el problema analítico. Cuando es posible, lo anterior
se hace a través de una interacción directa con la(s) persona(s) que desea(n) el análisis.

1.4
El analista debe determinar la naturaleza de la muestra, el uso final de los resultados
analíticos, las especies que deben analizarse y la información requerida. La información
cualitativa debe incluir la composición elemental, los estados de oxidación y la
identificación completa de todas las especies presentes en la muestra. Los datos
cuantitativos incluyen la exactitud y precisión requeridas, el intervalo de
concentraciones esperado para el analito (la sustancia que se está analizando) y sus
límites de detección. Otras consideraciones son las propiedades físicas y químicas
únicas del analito, las propiedades de la matriz de la muestra, la presencia de
interferencias probables que eliminan el curso de ciertas propiedades del analito como
indicadores de medición y, finalmente, un costo estimado del análisis. Un componente
principal en el costo es el tiempo requerido para efectuar el análisis; cuando resulta
apropiado, deben compararse los costos de los métodos manuales y de los métodos
automatizados.
Una vez que el problema se ha definido, la siguiente tarea es seleccionar el(los)
método(s) apropiado(s). Algunos factores a considerar son las posibilidades y
limitaciones de la técnica, cuando se aplica al problema en consideración, las
restricciones impuestas al método por las interferencias presentes en la muestra y la
calidad de la información obtenida contra su costo de adquisición.
La siguiente área a considerar es el muestreo. A menudo es el paso más
importante en todo el análisis. ¿Qué medidas deben tomarse a fin de obtener las
muestras requeridas para proporcionar la información deseada? En algunos casos se
buscan muestras homogéneas representativas, mientras que en otros la heterogeneidad
de la muestra es el interés principal. ¿Los procedimientos de toma de muestras en el
campo y en el laboratorio aseguran la integridad de los resultados analíticos? ¿Se han
usado procedimientos adecuados para almacenar y preservar las muestras y los
estándares? ¿Las muestras se han etiquetado y registrado correctamente?.
A menudo es necesario realizar algunas operaciones sobre la muestra, físicas o
químicas, previas al análisis final. Estas operaciones pueden reducir o eliminar las
interferencias, llevar la concentración del analito al intervalo de análisis deseado, o
producir -a partir del(de los) analito(s)- especies con propiedades cuantitativamente
medibles. Tales operaciones incluyen la disolución, la fusión, la separación, la dilución,
la concentración y la formación de derivados químicos. La instrumentación compleja no
elimina la necesidad de las destrezas de laboratorio fundamentales; más bien, aumenta
su importancia. La limpieza adecuada, el uso y el conocimiento de las tolerancias de las
balanzas analíticas, del material volumétrico y de los aparatos de filtrado siguen siendo
destrezas básicas necesarias en los análisis.
A veces se requiere el control del ambiente químico para asegurar que las
actividades de los analitos permanezcan constantes durante la medición y para
disminuir los efectos de las interferencias. Con este propósito se usan métodos como el
de control de la atmósfera a la que está expuesta la muestra, el de control de su
temperatura, la amortiguación del pH de sus soluciones y la complejificación de sus
componentes. Parámetros instrumentales, como la amplitud y la frecuencia de la señal
de entrada, la sensibilidad del detector y la rapidez de muestreo, deben coordinarse para
medir al analito deseado en condiciones óptimas.
Una vez que la medición se ha efectuado, ¿cómo se asegura la precisión deseada
para el análisis?. El analista debe seleccionar el(los) método(s) de estandarización más
adecuado(s) para el análisis de entre los siguientes: gráficas (o curvas) de calibración (o
"de trabajo”), adiciones estándares, estándares internos, estándares externos, materiales
de referencia como los del National Bureau of Standards (NBS), muestras de prueba
("ciegas") y diagramas de control.

1.5
Para evaluar la precisión y los resultados de los análisis, el analista debe usar
métodos estadísticos, los cuales incluyen límites de confianza, rechazo de puntos
aberrantes, análisis de regresión para establecer gráficas de calibración, pruebas de
significancia y curvas de distribución gaussianas y no gaussianas. En cada análisis
deben reconocerse los parámetros de respuesta críticos y, si es posible, optimizarse. El
método simple y otros procedimientos pueden usarse para optimizar las condiciones de
una determinación dada.
La presentación clara y exacta de los resultados es un requisito importante para
cualquier buen método analítico. Esto implica llevar un cuaderno de notas de
laboratorio adecuado, presentar los datos -si fuera necesario - en forma gráfica, tener
conocimiento adecuado de las cifras significativas para el trabajo, ser capaz de
comunicar y resumir el problema original y los procedimientos a usar para obtener los
resultados.
El objetivo de cada análisis es obtener la información deseada a partir de la
muestra y presentarla en forma útil. La instrumentación es sólo un componente del
método en su conjunto. El analista debe seguir el flujo de información a través de todo
el proceso, no del instrumento solamente; esto permite identificar más fuentes de error
potencial. Una atención inadecuada para cada una de las áreas aquí señaladas puede
llevar a resultados sin sentido, a pesar del poder analítico del instrumento utilizado.
Es interesante comparar métodos instrumentales y no instrumentales de análisis.
Ambos tienen puntos fuertes. Los métodos instrumentales generalmente son más
rápidos y más sensibles, después que se han establecido las calibraciones necesarias; no
obstante, en muchos casos los métodos gravimétricos y volumétricos clásicos son más
exactos, aunque mucho más lentos, que los instrumentales. Muchos métodos
instrumentales ofrecen límites de detección mejores que los de métodos no
instrumentales.
La siguiente anécdota permite comparar las dos estrategias de análisis. A un
joven y recién graduado doctor (Ph. D.) se le pidió efectuar una determinación de sílice
en una sola muestra. Habiendo hecho su investigación de grado sobre fluorescencia de
rayos X, preparó cuidadosamente una serie de patrones o estándares y obtuvo una
gráfica o curva de calibración. Posteriormente su supervisor y un colaborador le
pidieron los resultados del análisis. Lamentablemente, tuvo que admitir que todavía no
había llegado a eso; no obstante, su ayudante ya los había obtenido, haciendo uso del
método gravimétrico clásico. Por supuesto, el enfoque instrumental del joven doctor
habría funcionado bien, finalmente, en especial si se hubieran tenido muchas muestras.
1.4. FUNCIONES BÁSICAS DE LA INSTRUMENTACIÓN
El propósito de la instrumentación química es obtener información de la
sustancia que se está analizando. Al pasar de la muestra a la salida del instrumento, la
información (una cantidad física o química) se transforma. El número y la calidad de las
transformaciones están determinados por la calidad y la cantidad de los datos que se
obtienen de la muestra bajo análisis.
Todo instrumento analítico puede ser considerado dividido en cuatro
componentes básicos: un generador de señales, un transductor de entrada, un
modificador de señal y un transductor de salida. La señal es producida por la
interacción del analito, directa o indirecta, con alguna forma de energía -como radiación
electromagnética, electricidad o energía térmica -. Los transductores de entrada
(también conocidos como detectores), son dispositivos que transforman la propiedad del

1.6
analito, física o química, en una señal eléctrica. Los modificadores de señal son
componentes electrónicos que ejecutan operaciones necesarias y deseables, como
amplificación y filtrado, sobre la señal que proviene del transductor de entrada. Por
último, el transductor de salida convierte la señal eléctrica modificada en información
que puede ser leída, registrada e interpretada por el analista.
Por ejemplo, en la determinación espectro fotométrica de cobre en solución,
usando ditizona como reactivo para formar un complejo rojo-violáceo, se hace pasar la
radiación de una lámpara a través de un prisma para obtener luz visible de 525 nm, para
generar una señal que puede ser absorbida por el complejo de cobre. La cantidad de
radiación absorbida a 525 nm es proporcional a la concentración del analito de cobre.
La potencia radiante es convertida en una señal eléctrica por medio de un fotodetector
(transductor de entrada). Los modificadores de la señal eléctrica convierten la corriente
en tensión eléctrica o voltaje y, después de su amplificación y transformación a un
voltaje logarítmico, la envían al transductor de salida. Este transductor puede ser un
medidor, un monitor de vídeo o un registrador.
Generadores de Señales
La señal empleada para transferir información del analito a los módulos
eléctricos del instrumento se originan en el generador de señales. Se usan dos métodos
generales para la generación de las señales: 1) la aplicación de una señal externa a la
muestra, con modificación subsecuente de la misma por el analito (como en
espectroscopía de absorción) y 2) la creación de un ambiente sobre la muestra, que
permite al analito producir una señal, como lo ilustran las mediciones potenciométricas.
El generador de señales es único para cada tipo de instrumento. Su diseño requiere una
comprensión de las propiedades físicas de los componentes del instrumento, de las
propiedades químicas del analito y de las características de la matriz de la muestra.
Transductores de Entrada
La mayoría de los transductores de entrada son dispositivos analógicos: esto es,
miden propiedades físicas y químicas en forma continua (Tabla 1.2). En muchos casos
estos dispositivos producen señales eléctricas analógicas de diferencia de potencial,
corriente o resistencia. Si la propiedad medida no es continua, puede diseñarse el
detector para que de una salida pulsante, como en los detectores de radiación gama (o
gamma) de alta energía. La calidad y las capacidades del transductor de salida son las
que finalmente limitan todo el funcionamiento del instrumento.
Tabla 1.2 Transductores de entrada
Cantidad física medida Transductor de entrada Salida eléctrica
Concentración de especies electroactivas Celda polarográfica Corriente
Actividad iónica en solución Electrodo selectivo de iones Voltaje
Intensidad luminosa Fototubo Corriente
Fotodiodo Corriente
Temperatura Termistor Resistencia
Termopar Voltaje
Módulos de Transformación de Señal

1.7
El módulo de transformación de la señal recibe la información del detector, la
convierte eléctricamente a una forma más significativa y luego la envía al transductor
de salida (Tabla 1.3) El detector utilizado y la forma final de la información deseada
determinan la composición electrónica de este módulo. Los componentes del mismo
van desde un simple resistor, para la conversión simple de corriente a voltaje, hasta un
complejo microprocesador, que tiene una gran variedad de posibilidades de
procesamiento de señales.

1.8
Tabla 1.3. Transformaciones de la señal eléctrica
Amplificación Conversión digital-analógica
Conversión analógica-digital Filtrado
Atenuación Integración
Comparación Rectificación
Conteo Adición
Conversión corriente-voltaje Conversión voltaje-corriente
Diferenciación (derivación) Conversión voltaje- frecuencia
Conversión logarítmica-aritmética Conversión antilogarítmica-aritmética
Transductores de Salida
El componente final del instrumento, el transductor de salida, convierte la señal
eléctrica modificada en información útil para el analista. Esta información puede
mostrarse o registrarse por medio de diferentes dispositivos, en forma analógica o
digital (Tabla 1.4).
La instrumentación actual incluye un número relativamente grande de
generadores de señales y de transductores de entrada, algunos modificadores de señales
y unas pocas clases de transductores de salida. Una gran gama de propiedades físicas y
químicas puede servir para determinar a los analitos en gran número de ambientes de
muestra. Después de que la información del analito se ha convertido en señal eléctrica,
se limita el número de posibles operaciones y modificaciones, y hay todavía menos
clases de transductores de salida. Transductores de entrada específicos se discuten en
los capítulos apropiados de los métodos instrumentales.
Tabla 1.4. Transductores de salida
Impresoras alfanumérícas Osciloscopios
Medidores analógicos Registradores de tira continua (y-t)
Medidores digitales Registradores x-y
Discos duros (discos) Casetes de cinta
Discos flexibles (disquetes) Monitores de videovisualizadores de pantalla
catódica
1.5. CONSIDERACIONES IMPORTANTES PARA EVALUAR UN MÉTODO
INSTRUMENTAL
Los métodos instrumentales listados en la Tabla 1.1 se agrupan en tres
divisiones principales: espectroscopía, electroquímica y cromatografía. Todos los temas
siguientes describen métodos instrumentales específicos y contienen material de las
siguientes seis áreas principales.
1 .Cómo funciona el método (teoría general). Se presentan los fundamentos físicos y los
principios químicos involucrados en la técnica, así como las funciones de los com-
ponentes instrumentales. El objetivo de esta sección es representar la transformación de

1.9
la información de una a otra forma, según se pasa desde la muestra hasta el dispositivo
de salida.
2. Ventajas y limitaciones del método. Las capacidades y limitaciones del método son
descritas en la segunda sección, junto con discusiones acerca de la presentación e inter-
pretación de los datos. El principal énfasis se hace en el análisis cuantitativo y en las
limitaciones del método, incluyendo los tipos de muestras que se manejan, la exactitud,
la precisión y los límites de detección.
3. Instrumentación ilustrativa. Esta sección describe varios sistemas representativos de
los instrumentos actuales. Diagramas acompañados de una descripción exponen los
aspectos prácticos del método, tales como el costo relativo, el entrenamiento requerido
para operar el instrumento e interpretar los resultados, y el tiempo requerido para el
análisis.
4. Aplicaciones. Se presenta una exposición general de las principales áreas de
aplicación del método. Ejemplos específicos ilustran la utilidad del mismo.

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